盐碱胁迫对苗期菊芋叶绿素、脯氨酸及Na+、K+含量的影响

时间：2024-08-31

张天俊，高凯，李威，侯美玲

(内蒙古民族大学农学院，内蒙古通辽 028042)

土壤盐渍化是导致耕地减少、作物产量和品质下降的主要非生物逆境之一，也是世界性的生态环境问题。全球盐碱地遍及6大洲的30多个国家，总面积约9.56亿hm2，占全球陆地面积的25%[1]。我国盐碱地分布广泛，约260多万km2，占国土面积的1/4[2]，并且土壤次生盐碱化呈现逐渐加剧的趋势[3-4]。盐碱胁迫是盐化和碱化相伴发生，植物在受到盐胁迫产生的渗透伤害和离子伤害的同时，还受碱胁迫引起的pH值升高的影响，双重胁迫的协同效应抑制植物光合作用和生理过程，从而影响植物的生长发育[5]。近年来，培育耐盐碱植物和提高植物的耐盐碱能力，已成为治理及改善盐碱地区生态环境的有效途径[6]。

菊芋(Helianthustuberosus)又名洋姜、鬼子姜，菊科向日葵属，多年生草本植物。目前，菊芋广泛应用于食品加工[7]、生物能源[8]和动物饲料[9]等方面，是重要的经济作物。菊芋主要靠块茎繁殖，具有极强的耐盐碱能力，可以在不同盐碱程度的退化草地上自然生长，能够改善脆弱的生态环境，已成为西部沙荒地区重要的防风固沙作物之一[10]。近年来，科学工作者关于菊芋耐盐碱性的研究主要集中于种质资源筛选和生理机制等方面。李世煜等[11]筛选出了适合西北干旱盐碱地区的不同品种；隆小华等[12-13]研究了海水胁迫下菊芋的生理响应和耐盐机理；吴成龙等[14]对碱胁迫下不同品种菊芋幼苗生物量分配和可溶性渗透物质含量的变化做了相关研究。但是，在菊芋耐盐碱生理机制的相关研究中，双重胁迫下的苗期菊芋不同营养器官的渗透物质及离子代谢研究报道较少。本研究旨在探讨菊芋幼苗各器官叶绿素、脯氨酸及Na+、K+含量对盐碱胁迫的响应，揭示菊芋块茎幼苗阶段适应盐碱胁迫的生长适应策略，为菊芋改良盐碱化土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料为通辽地区乡土品种红皮菊芋，2018年5月6日种植，并于2019年4月28日挖出，种植于育苗基地，出苗30 d后，选取长势均一的菊芋幼苗供试验用。

1.2 试验设计

试验在内蒙古民族大学科技园区遮雨棚(E 122°02′，N 43°36′)进行，属典型的温带大陆性季风气候，年平均气温0～7℃，年平均日照时数3 000 h，无霜期150 d。将幼苗埋入高30 cm、直径60 cm、内装7.5 kg细沙的圆形花盆内，待菊芋缓苗成功后分别用不同盐碱浓度的溶液进行浇灌。

NaCl溶液：0、100、200、300 mmol/L

pH值：7、8、9、10

共16个处理，每个处理4个重复，总计64盆。每个营养钵一次性浇灌1 000 mL不同盐碱浓度的溶液，同时称重，记录每个培养钵的初始重量，每天通过称重法补充蒸发失去的蒸馏水。从胁迫后第7 d开始进行叶片取样，共取样5次，时间间隔7 d，进行指标测定。

1.3 测定指标与方法

取样后将叶片用蒸馏水洗净，用滤纸擦干表面水分，使用打孔器取0.2 g距植株顶端20 cm处的新鲜

叶片(避开主脉)。

叶绿素含量：使用丙酮乙醇混合法测定[15]；脯氨酸含量：使用磺基水杨酸方法测定[15]；钾离子和钠离子含量：参照小麦叶片中Na+、K+提取方法测定[16]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel进行分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对菊芋叶片叶绿素含量的影响

在pH值分别为7、8、9、10不同浓度的NaCl溶液处理下，红皮菊芋叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量含量逐渐下降，叶绿素总量最低值出现在pH10+300 mmol/L NaCl处理下。其中，14 d，pH7+100 mmol/L NaCl处理下，叶绿素a、叶绿素总量有小幅度的升高；21 d，pH7+0 mmol/L NaCl和pH9+0 mmol/L NaCl较其他处理相比，叶绿素b、叶绿素总量有小幅度的升高，pH9+0 mmol/L NaCl处理下，叶绿素b和叶绿素总量出现一次小幅度升高；28 d，pH7+300 mmol/L NaCl处理下，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量短暂升高(图1)。

图1 红皮菊芋叶绿素含量动态变化Fig.1 The dynamic changes of chlorophyll content of Helianthus tuberosus

2.2 盐碱胁迫对菊芋各器官游离脯氨酸含量的影响

在不同浓度的盐碱溶液处理下，随时间的推移，叶片、茎秆和须根脯氨酸含量主要呈上升趋势，主根脯氨酸含量有升有降。其中，pH10+0 mmol/L NaCl、pH10+200 mmol/L NaCl和pH10+300 mmol/L NaCl处理下，脯氨酸含量呈下降趋势。叶片脯氨酸含量最高值出现在pH10+300 mmol/L NaCl处理下，茎秆脯氨酸含量最高值出现在pH7+300 mmol/L NaCl处理下，主根和须根脯氨酸含量最高值出现在pH8+300 mmol/L NaCl处理下(图2)。

图2 红皮菊芋脯氨酸含量动态变化Fig.2 The dynamic changes of proline content of Helianthus tuberosus

2.3 盐碱胁迫对菊芋各器官K+含量的影响

K+含量主要呈降低趋势，pH7+300 mmol/L NaCl、pH8+100 mmol/L NaCl、pH8+200 mmol/L NaCl、pH8+300 mmol/L NaCl、pH9+200 mmol/L NaCl、pH10+100 mmol/L NaCl和pH10+200 mmol/L NaCl处理下，红皮菊芋各器官K+含量随时间的推移呈下降趋势。21 d，pH9+0 mmol/L NaCl和pH9+100 mmol/L NaCl处理下，叶片K+含量出现短暂的升高。叶片K+含量最低值出现在pH7+300 mmol/L NaCl和pH9+300 mmol/L NaCl处理下，茎秆K+含量最低值出现在pH10+300 mmol/L NaCl处理下，主根K+含量最低值出现在pH7+300 mmol/L NaCl处理下，须根K+含量最低值出现在pH10+300 mmol/L NaCl处理下(图3)。

图3 红皮菊芋K+含量动态变化Fig.3 The dynamic change of K+ content of Helianthus tuberosus

2.4 盐碱胁迫对菊芋各器官Na+含量的影响

pH值分别为7、8、9，10的不同浓度的NaCl溶液处理下，红皮菊芋各器官Na+含量逐渐呈上升趋势；28 d，pH7+200 mmol/L NaCl、pH7+300 mmol/L NaCl、pH8+100 mmol/L NaCl、pH8+300 mmol/L NaCl、pH9+100 mmol/L NaCl、pH9+200 mmol/L NaCl和pH9+300 mmol/L NaCl处理下，Na+含量出现一次小幅度升高。叶片Na+含量最高值出现在pH10+300 mmol/L NaCl处理下，茎秆Na+含量最高值出现在pH8+300 mmol/L NaCl处理下，主根Na+含量最高值出现在pH8+300 mmol/L NaCl处理下，须根Na+含量最高值出现在pH7+300 mmol/L NaCl处理下(图4)。

图4 红皮菊芋Na+含量动态变化Fig.4 The dynamic change of Na+ content of Helianthus tuberosus

3 讨论

本研究中，菊芋叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量受盐碱胁迫影响而降低，随着盐浓度增大呈递减趋势。可能由于盐碱胁迫导致菊芋叶片叶绿体结构受损，打破了叶绿素合成与降解的动态平衡，使叶绿素合成受阻，含量降低。郭瑞等[17]研究发现盐碱胁迫抑制了亚麻叶绿素合成的必需元素Mg2+的沉淀，影响了叶片叶绿素的合成，进而含量下降。张强等[18]研究中也发现盐碱胁迫下草地早熟禾(Poapratensis)的叶绿素含量和光合作用显著下降。申午艳等[19]研究发现黑麦草草(Loliumperenne)叶绿素总含量随着盐碱胁迫浓度增大而降低，其生长逐渐受到抑制。

本研究中，菊芋各器官脯氨酸含量受盐碱胁迫影响主要呈上升趋势，pH9+300 mmol/L NaCl和pH10+0 mmol/L NaCl、200 mmol/L NaCl、300 mmol/L NaCl处理下，脯氨酸含量呈下降趋势。脯氨酸作为渗透调节的主要物质，其积累是植物在盐碱胁迫下出现的一种防御性行为[20]。菊芋在受到外界逆境胁迫下，通过合成脯氨酸，调节细胞渗透势，保护细胞的稳定与功能的稳定，帮助菊芋抵御盐碱胁迫。郝凤等[21]也发现，随着盐碱胁迫浓度的增大，紫花苜蓿(Medicagosativa)脯氨酸在不断积累。可能因为高浓度的盐碱溶液扰乱了细胞的正常生理功能，导致菊芋脯氨酸含量在高浓度的部分处理中下降。韩丽霞等[22]也发现流苏(Chionanthusretusus)幼苗脯氨酸含量在高浓度处理下出现降低。

本研究中，菊芋各器官Na+含量随着盐碱浓度增加呈上升趋势，K+含量主要呈降低趋势，浓度增加时，下降趋势明显。在盐碱胁迫下，菊芋根际水势降低，需要吸收一定Na+增加细胞内的渗透势，其各器官均积累一定量的Na+。Na+是廉价的渗透溶质，积累和吸收均比有机溶质的合成需要更少的能量[23]。K+与Na+的水合半径相似，在盐碱胁迫下植物通常吸收Na+的同时抑制K+吸收[22]。因此，各处理中，菊芋根部的Na+含量较高，叶片Na+含量最低，这与K+的表现正好相反。王英逵等[24]研究发现盐碱胁迫会增加羊草(Leymuschinensis)体内Na+含量，减少K+含量，增强地下到地上部分Na+的运输，抑制K+的运输，改变了羊草体内地上和地下的离子分配。Li R等[25]研究发现禾本科盐生互米花草(Spartinaalterniflora)体内Na+含量随着土壤盐碱程度的增大显著增加，而 K+含量则明显减少。